场耦合效应提升太阳能电池在雨天弱光环境下的功率输出
场耦合效应提升太阳能电池在雨天弱光环境下的功率输出
太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁能源，开发并高效利用太阳能已成为世界各国能源发展战略的核心，通过光伏发电技术可实现太阳能的高效利用。然而，传统结构的太阳能电池具有发电间歇性，输出功率严重依赖外部环境。为了突破传统太阳能电池的光电转换效率极限，利用其它能量形式如风能、雨能等与太阳能电池集成构建“混合能量采集系统”，可进一步提升太阳能电池在弱光环境下的转换效率，对人类社会实现清洁能源可持续路线具有重要意义。然而，不同能量转换原理之间的差异性使得混合能量采集电池的转换效率仍然较低。
近日，来自暨南大学的杨希娅副教授团队、山东科技大学唐群委教授团队及北京纳米能源与系统研究所的王中林院士团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上发表了题为“Boosting Power Conversion Efficiency of Hybrid Triboelectric-Photovoltaic Cell through Field Coupling Effect”的合作研究，提出了一种利用光伏效应和摩擦电效应耦合机制协同提升太阳能电池在雨天弱光条件下的能量转换效率与功率输出的新方法。该研究通过热压法制备具有表面微金字塔结构的乙烯-四氟乙烯（ETFE）薄膜，并与晶硅太阳能电池叠层构建了摩擦电-光伏杂化电池（TENG-PV cell），通过调控微结构实现了利用光学管理增强光吸收；另一方面，通过摩擦电效应与光伏内建电场耦合的协同机制，最终使TENG-PV电池获得了20.84%的光电转换效率，雨滴摩擦纳米发电机（R-TENG）实现了80 V的开路电压和1.06 W/m2的最大功率密度，有效提升了该器件在雨天弱光环境下的总功率输出。
图1：摩擦纳米发电机-晶硅串联（TENG-PV）混合能量采集太阳电池的制备流程示意图。
图2展示了具有不同尺寸金字塔图案ETFE薄膜的表面形貌，以及对应器件的表面反射率、J-V曲线和外量子效率（EQE）曲线。我们进一步对雨滴摩擦纳米发电机（R-TENG）的工作原理和性能进行了研究，并结合ETFE分子静电势分布模拟探究液滴撞击过程中的电荷转移机制，以及不同金字塔微结构对R-TENG电学输出性能的影响规律。
随后，深入探讨了暗态条件下，p型和n型双面硅太阳电池中摩擦静电场与晶硅电池内建电场之间的耦合作用对R-TENG输出性能的影响规律。如图3所示，通过改变晶硅电池内建电场方向，研究了静电场与内建电场同向或异向的情况下，对TENG-PV电池输出性能的影响机制。结果表明，当内建电场与摩擦静电场方向相反时，R-TENG的滴水激励信号显著增强，表明内建电场的存在有利于摩擦电荷的产生、提取和驻留。
图2：混合能量采集太阳电池（TENG-PV）的表面形貌及其光电转换特性。
图3：暗态条件下，摩擦静电场与晶硅电池内建电场的耦合作用对R-TENG输出性能的影响规律及耦合效应机制图。
在弱光降雨环境下，对TENG-PV电池输出性能进行研究时发现，随着光照强度和滴水频率的增加，滴水引起的TENG-PV光电流输出也随之增强（图4），表明水滴激励产生的摩擦静电场可高效提取光生载流子；同时，通过控制在同一弱光光强下改变滴水频率，发现增强的摩擦静电场可进一步提升传输载流子总数密度。
图4：TENG-PV电池在弱光和滴水环境下受滴水频率的输出影响规律。
为了比较TENG-PV电池的静态和动态光伏响应，通过引入η来量化在水滴激励摩擦静电场刺激下（图5），混合TENG-PV电池的最大输出功率和光伏转换效率的相对增加量。研究表明，随着光照强度的增加，两者的η值均随之提升，同时结合有限元模拟仿真分析，在外加摩擦静电场的作用下，TENG-PV电池的光学输出特性较裸晶硅电池均有显著提高，进一步验证了摩擦静电场对光生内建电场的增强机制。
图5：TENG-PV系统的静态光伏响应和动态光伏响应机制和输出性能图。
最终，利用整流电源管理在模拟降雨环境下，使TENG-PV电池为继电器供能并成功驱动了电致变色窗由晴天模糊状态变为雨天透明状态（图6），该应用有望拓展纳米发电技术在光伏建筑、智能汽车、高铁等领域的潜在应用。
图6: TENG-PV电池作为自供能传感驱动电致变色窗的应用演示。
综上，该研究提出了一种可在光照和降雨环境下发电的TENG-PV混合电池的集成策略，通过利用织构化ETFE膜的减反性及摩擦静电场与光伏内建电场之间的场耦合效应，协同提升了混合电池在降雨弱光环境下的功率转换效率与功率输出，该装置实现了单滴水峰值开路电压为80 V，短路电流密度为110.5 mA/m2，最大功率密度为1.06 W/m2的，在标准太阳光下，光伏转换效率（PCE）达到20.84%，相比裸晶硅电池（PCE为18.41%）提升了约13.2%。该混合能量采集技术能够有效缓解降雨密集型与阳光间歇性等区域的电力短缺问题。
本文原文来自Cell Press